斗齒惡劣工況耐磨性快速檢測方法

曲興田,萬梓威,蔡煒炯,王增鑫,錢金煜

(吉林大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130022)

斗齒惡劣工況耐磨性快速檢測方法

曲興田,萬梓威,蔡煒炯,王增鑫,錢金煜

(吉林大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130022)

為快速檢測土方機械斗齒在惡劣工況下的耐磨性,提出一種基于Rabinowicz磨料磨損模型與鉆削力模型的斗齒耐磨性檢測方法,無需標(biāo)準(zhǔn)試樣,直接對斗齒成品進行檢測.通過對比試驗,與國標(biāo)JB/T 7506—1994的檢測結(jié)果有很好的相關(guān)性,并在同一條件下進行多次試驗,重復(fù)性較好,具有很高的研究推廣價值.

斗齒; 耐磨性檢測; 磨料磨損模型; 鉆削力

隨著機械作業(yè)的不斷發(fā)展,挖掘機、裝載機等土方機械越來越多地應(yīng)用于惡劣工況.斗齒作為挖掘機、裝載機的易損件,在這種工況下,其使用壽命常常以小時計算,其耐磨性對車輛整體的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟性能有重要的影響.

實際生產(chǎn)中常用硬度來衡量耐磨性,但王麗娜等[1]的研究表明,在相同的硬度下斗齒的耐磨性因其合金含量、金相組織等的不同有很大的差異,這一點也成為了斗齒行業(yè)的共識.行業(yè)內(nèi)也常常進行實地對比來比較斗齒的耐磨性,但這種方法測試周期長,測試結(jié)果也缺乏代表性.

斗齒的磨損形式為磨料磨損,可用國家標(biāo)準(zhǔn)銷-砂紙盤滑動磨損法[2]和橡膠輪法[3]進行定量檢測,但這兩種測試方法耗時長,且需要切割試樣破壞成品,不適合在工廠批量生產(chǎn)時對每一批次產(chǎn)品的抽檢,同時，切割試樣的過程會使材料性質(zhì)變化，從而影響檢測準(zhǔn)確性,使其在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用非常有限.

斗齒在不同工況下磨損機理不盡相同,主要分為微觀切削磨損機制、多次塑變導(dǎo)致斷裂機制、低周應(yīng)變疲勞式磨損機制.在高沖擊惡劣工況下,微觀切削磨損機制對斗齒表面材料損失最為嚴重[4],而鉆削的機理與微切削基本一致,因此，本文提出利用鉆削來模擬斗齒的微切削磨損,因鉆孔的尺寸由鉆頭型號確定,可在不切割試樣的情況下控制測試區(qū)域,且刀具的幾何形狀較磨粒更加合理,可在短時間內(nèi)獲得較大的材料損耗量，以保障檢測準(zhǔn)確性,是一種理想的檢測方法.

1 磨料磨損與鉆削力模型的建立

1.1 Rabinowicz磨料磨損模型

圖1為Rabinowicz磨料磨損模型示意圖,該模型適用于“微切削磨損機理”,并認為“磨粒像刀具一樣對材料表面進行切削,形成切屑”[5].

圖1 磨粒磨損簡化模型Fig.1 Simplified abrasive wear model

(1)

式中:V為切削去除的斗齒材料體積;s為磨粒沿斗齒表面的滑動距離;K1為挖掘過程中產(chǎn)生微切削的總概率;K2為犁溝體積中轉(zhuǎn)化為磨屑的平均比值;K3為磨粒的形狀系數(shù);F為斗齒表面所受的壓力;σs為斗齒材料的屈服極限;V/s為斗齒材料在一定磨損條件下的磨耗率W，mm3/m,1/W為材料的耐磨性.

1.2 鉆削力模型的建立

鉆削斗齒這樣的高硬度材料應(yīng)使用硬質(zhì)合金麻花鉆,圖2為麻花鉆頂部硬質(zhì)合金刀片切削簡化模型,其主切削刃前角γ0一般為0°,后角α0為10°～15°,β為摩擦角,φ為剪切角.豎直方向上,切屑對前刀面的摩擦力Fm、變形抗力Fv與軸向鉆削力Fz3力平衡.

圖2 硬質(zhì)合金刀片切削模型Fig.2 Carbide blade cutting model

(2)

由經(jīng)典切屑受力模型[6]:

(3)

τmax為材料的切應(yīng)力極限,根據(jù)第二強度理論:

τmax=0.5σs

(4)

AD為切削層橫截面積,與進給量成正比:

AD∝f

(5)

變形抗力Fv等于屈服極限σs與變形部分(圖2陰影部分)的水平投影面積AH的乘積:

Fv=σsAH

(6)

鉆削時,變形部分為復(fù)雜曲面體,AH用數(shù)學(xué)方法不易求解,本文使用CATIA三維建模軟件對麻花鉆進行參數(shù)化建模,再用布爾運算以變形深度δ去除變形部分,將得到的曲面向水平面投影后用面積,計算工具求解得到AH與δ的關(guān)系(見圖3).

圖3 CATIA三維建模求解結(jié)果Fig.3 CATIA 3D modeling and solving results

圖2中可以看出,AH與δ近似成正比,假設(shè)在鉆削線彈性材料時,δ正比于進給量f,于是有

AH∝f

(7)

聯(lián)立式(1)～式(7)得

(8)

由式(8)可以看出,如果控制鉆削條件與進給速度Vf不變,通過測量鉆削不同斗齒材料時的軸向鉆削力Fz、轉(zhuǎn)速n,就可以得到材料耐磨性的相對優(yōu)劣性.

2 鉆削力測定試驗

2.1 試驗裝置與試驗設(shè)計

傳統(tǒng)鉆削過程中鉆削力波動變化過于劇烈,與微切削磨損機理有較大差異,也不易確定鉆削力數(shù)值,因此,需要為上述檢測方法專門設(shè)計一種試驗裝置.圖4為鉆削力測定專用試驗機的原理圖與實物圖,其核心在于進給機構(gòu)內(nèi)傳動鏈中設(shè)計了一個扭簧作為容性儲能元件,消除了鉆削力的波動變化.

圖5為試驗過程中鉆削力與轉(zhuǎn)速變化曲線.可以看出,臺鉆主軸高速轉(zhuǎn)動,進給機構(gòu)施加給主軸逐漸增大的鉆削力使鉆頭向下鉆削,當(dāng)鉆削速度(可視為微切削磨損速度)等于設(shè)定的進給速度Vf時,鉆削力達到動態(tài)平衡,選定此時的鉆削力Fz與轉(zhuǎn)速n.

圖4 鉆削力測定專用試驗機結(jié)構(gòu)圖與實物圖Fig.4 Structure diagram and photograph of the drilling force measuring machine

試驗證明同一型號的鉆頭其鋒利程度也有細微的差異,為防止這種差異給檢測帶來的誤差,采用相對耐磨性ε′來衡量材料耐磨性,即用同一根鉆頭分別對試驗材料和某種選定的“標(biāo)準(zhǔn)”材料進行鉆削,ε′即它們的耐磨性之比為

(9)

式中:Fz為試驗材料的實際軸向鉆削力;Fzs為相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)材料的實際軸向鉆削力;n為試驗材料的實際鉆速;ns為相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)材料的實際鉆速.

試驗過程中鉆頭逐漸磨損導(dǎo)致鉆削力增大,因此,每根鉆頭只鉆2次(試驗材料和標(biāo)準(zhǔn)材料各1次),之后重新刃磨或換新鉆頭再改變次序鉆2次,取2次ε′的平均值,為一個試驗流程.此外,還應(yīng)使用優(yōu)質(zhì)耐磨硬質(zhì)合金麻花鉆,以減少刀具的磨損量.

試驗過程中鉆頭逐漸磨損導(dǎo)致鉆削力增大,因此,每根鉆頭只鉆2次(試驗材料和標(biāo)準(zhǔn)材料各1次),之后重新刃磨或換新鉆頭再改變次序鉆2次,取2次ε′的平均值,為一個試驗流程.此外,還應(yīng)使用優(yōu)質(zhì)耐磨硬質(zhì)合金麻花鉆,以減少刀具的磨損量.

圖5 鉆削力與轉(zhuǎn)速變化曲線(VB 6.0)Fig.5 The changing curve of drilling force and RPM(VB 6.0)

2.2 試驗結(jié)果

可以看出,硬度與相對耐磨性的相關(guān)性很弱,而用國標(biāo)法與鉆削法測得的結(jié)果則有很強的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)r=0.979),證明鉆削法能夠比硬度測試更準(zhǔn)確地確定材料耐磨性的相對優(yōu)劣性(見圖6和圖7).

表1 不同材料試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Test date of different materials

圖6 試驗測得硬度與相對耐磨性的關(guān)系Fig.6 Relationship between the hardness and relative wear resistance

圖7 試驗測得2種試驗結(jié)果的關(guān)系Fig.7 Relationship between the two test results

2.3 重復(fù)性試驗

為驗證該檢測方法的可靠性,應(yīng)進行重復(fù)性試驗.選取較有代表性的1號、4號、5號、6號、13號5種斗齒材料,以相同試驗條件進行10次鉆削試驗(見表2),并采用變異系數(shù)V′來衡量結(jié)果的重復(fù)性,即

表2 重復(fù)性試驗數(shù)據(jù)Tab.2 The repetitive test data

(10)

由表2可以看出,除了4號斗齒可能由于材質(zhì)欠均勻?qū)е伦儺愊禂?shù)較高以外,這種試驗方法在多次重復(fù)試驗中均表現(xiàn)出較好地重復(fù)性(V′max<10%),是一種可靠性較高的試驗方法.

3 結(jié)論

(1) 將Rabinowicz磨料磨損模型與鉆削力模型相結(jié)合,并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于鉆削力的斗齒惡劣工況耐磨性檢測方法;

(2) 針對該檢測方法,設(shè)計搭建了專用試驗機,使鉆削過程更接近微切削磨損機理,并能準(zhǔn)確獲得鉆削力、轉(zhuǎn)速等數(shù)值;

(3) 通過對比試驗證明了該方法與國標(biāo)JB/T 7506—1994的檢測結(jié)果具有很好的相關(guān)性,重復(fù)性試驗也證明了該檢測方法的可靠性.

[1] 王麗娜,李具倉,趙愛民,等.低合金耐磨鋼鏟齒的研制[J].熱加工工藝,2005(7):44-46,49.

WANG L N,LI J C,ZHAO A M,et al.Development of low-alloy wear-resistant steel for dipper teeth[J].Hot Working Technology,2005(7):44-46,49.

[2] 中華人民共和國機械工業(yè)部.固定磨粒磨料磨損試驗方法 銷-砂紙盤滑動磨損法 JB/T 7506—1994[S].1994.

Ministry of Machine-Building Industry of PRC.Test method for fixed abrasive wear,pin- disc experiment,JB/T 7506—1994[S].1994.

[3] 中華人民共和國機械工業(yè)部.松散磨粒磨料磨損試驗方法 橡膠輪法JB/T 7705—1995[S].1995.

Ministry of Machine-Building Industry of PRC.Test method for loose abrasive wear,rubber wheel experiment,JB/T 7705—1995[S].1995.

[4] 張延強.WK-75型礦用挖掘機斗齒的磨損分析及結(jié)構(gòu)改進[D].太原:太原理工大學(xué),2016.

ZHANG Y Q.Wear analysis and structure improvement on bucket tooth of WK-75 mining excavator[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2016.

[5] ZUM K H.Modeling of two-body abrasive wear[J].Wear,1988,124(1):87-103.

[6] 周澤華.金屬切削原理[M].2版.上海:上?？萍汲霭嫔?1993.

ZHOU Z H.Principles of metal cutting[M].2nd ed.Shanghai:Shanghai Science and Technology Press,1993.

A rapid wear resistance test for bucket tooth in bad working condition

QUXingtian,WANZiwei,CAIWeijiong,WANGZengxin,QIANJinyu

(College of Mechanical Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130022, China)

In order to rapidly test the wear resistance of the earth-moving machinery tooth in bad working condition,a test method is proposed based on the Rabinowicz abrasive wear model and the drilling force model.Without standard sample,this method can test directly on the bucket tooth products.The results of this method have the very good relevance to the test JB/T 7506—1994 in the contrast test and show high reproducibility in the repetitive test.Thus,this test method has a great study and spreading value.

bucket tooth; wear resistance test; abrasive wear model; drilling force

吉林大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”國家級資助項目(201610183104)

曲興田(1962—),男,教授.E-mail:quxt@jlu.edu.cn

TG 115

A

1672-5581(2017)05-0452-04